用手機抓拍生活中最美的一瞬間已經成為用戶們的日常需求,一定有細心的小伙伴們發現,為什 麼以iPhone 6 為代表的旗艦機對焦又快又準,這到底是為什麼呢?打開各 種科技網站,激光對焦、紅外對焦、PDAF...這些專業的名詞一定讓大家感到很 困惑,下面筆者就將簡單的介紹下這幾種對焦技術。

 

反差對焦(Contrast Detection

        反差對焦被廣泛的應用於傳統的手機攝像系統當中,它通 過對比鏡頭傳感器傳來的對比度反差來進行對焦。對比度對視覺效果的影響非常關鍵,一般來說對比度越大,圖像越清晰醒目,色彩也越鮮明艷 麗。我們知道當鏡頭漸漸合焦的時候,傳感器得到的相鄰像素間的對比度會越來越高,圖像也就會越來越清晰。所以當我們找到整個圖片對比度最 高的時候鏡頭所處的位置時,也就找到了準確的對焦點。

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反差對焦原理圖

     是不 是看的有點暈?總結一下,對焦過程的五個步驟可以用下圖來簡單表示:

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相位對焦(Phase Detection

   經常讓大家聽得云裡霧裡的PDAF其實指的就是相位自動對焦(Phase Detection Auto Focus)技術。這種技術被廣泛利用在單反相機中,現在也被逐漸移植到了智能手機的 攝像系統裡來提升對焦體驗,下圖是一個典型的相位對焦鏡頭系統。

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相位差對焦(Phase Detection AF) 主要原理是CMOS 感光元 件上畫素(pixel)有兩個光電二極管,因此CMOS不再只是負責接收影像,還要兼顧相位差(Phase Difference)自動對焦的工作。(圖一)Sony 感光元件有放置對 焦使用畫素示意圖,CMOS感光元件的相位畫素會接收到左右不同的光波資訊,進而 判斷出遠近距離產生相位差,Sony感光元件上的"對焦 點區域"設計一排專用的對 焦像素。
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像素是由L,R兩組像素組成,交錯排列,如 果單看L 與單看R,可 以將這條對焦像素視為兩條獨立的感應器,LR接收同來自一光源的光,Sony的 做法是在對焦用像素上設計兩層交錯的光罩遮光(圖二,), 讓所有L像素只能接收到來自左邊的光,R像 素只能接收到右邊的光。如此一來L,R兩組對焦像素就能接收同一光源不同方向的 光,如(圖二)黃色光線所 示,光 罩遮住一半的入射光源,造成此相位畫素僅能接收到左半邊的光源資訊。
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(圖三)黃色光線,因光罩遮住一半的入射光源,造成此相位畫素僅能接收到右半邊的光源資訊。

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因此CMOS把兩個感應器的訊號進行比較,這兩個成像間的距離就是所謂的相位差既然"相位差""光源和焦點的距離"有這層關係便 可參考目前的相位差來驅動對焦馬達,使得焦點可以快速完成。

 

 

顯然,有兩個微型鏡頭捕捉了從主鏡頭兩側傳來的一對光線,並且轉換到了對焦傳感器上。傳感 器通過分析這兩束光的光強相似度(曲線的峰值和谷底值)得到分離誤差,而這個分離誤差就可以用來計算被攝相對於焦點的位置。傳感器不止將 給出對焦環需要運動的方向,還將精確的給出對焦環需要移動的距離,達到快速精確對焦的目的。

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    圖中紫色的圓代表被攝物體,通過鏡片與遮罩mask(黑色),紅色的虛線以及 綠色的實線代表著主鏡頭兩側換來的兩束(L,R)光,黃色的長方形是鏡頭底部的傳 感器。傳感器後面的圖代表著兩束光縣的光強相似度曲線。

    1-4展現了四種常見的對焦狀態下PDAF系統系統的工作情況。(1)略 近(2)合焦(3) 略 遠(4)太遠。分析圖中的光照曲線的誤差可以計算出對焦環應該移動的方向和距離。

    我們可以把PDAF系 統看成一個簡單的閉環系統,如上圖所示。

 

相位對焦、反差對焦的對比

    對比上述兩種對焦方式的原理,我們可以發現PDAF 技術 在對焦速度方面有明顯的優勢。

1.反差對焦需要鏡頭從後端到前端完整的跑一段,通過焦點後發現對比度降低再開始反向。而相位 對焦在跑一小段路程後就可以通過傳感器數據判斷鏡頭該往哪個方向走,判斷時間明顯縮短。

2.反差對焦在越過合焦位置後會再跑一段,返回還需要一段時間。PDAF 在到 達合焦位置後鏡頭會立刻停止。

  另外在拍攝移動中物體以及攝影的過程中,相位對焦憑藉迅速對 焦準確快速的特點明顯能夠得到更好的用戶體驗。

 

市場應用

       三星 上一代旗艦Galaxy S5 是首款搭載了相位對焦技術的智能手機,雖然三星並沒有以此為重點進行宣傳,但是可以明顯感 覺到S5 的對 焦速度和精度比起上一代S4 有了 巨大的提升,但是在微距拍攝對焦的時候會出現對焦不准的情況。iPhone 6 所採取的Focus Pixel 技術 其實就是採用了PDAF 技術 來輔助傳統的反差對焦,在提升了對焦速度的基礎上也保證了微距拍攝的對焦精確度。

      除了 這兩種常見的自動對焦技術外,LG G3 上首 先使用了激光對焦技術。工作原理也比較容易理解,手機背面的發射器產生大量低強度脈衝激光,激光在遇到物體後會反射回來,被同樣在手機上 的紅外接收器接受,從而達到對被攝物體定位的目的。LG 官方 給出達到數據,G3 的自 動對焦時間為0.276 秒, 速度甚至比使用了PDAF 技術 的iPhone6 ​​和三星Galaxy S5 還強。

      紅外 對焦技術可以看做是激光對焦技術的一種變種,諾基亞早在功能機時代就在系列 手機中使用其來輔助對焦,最近MWC 上聯 想發布的Vibe Shot 也是使用了這種對焦技術。

 

     看完 了上面的介紹,大家是不是對PDAF 、反 差對焦以及市場上主流的智能手機對焦情況有所了解了呢?在以後選購手機的過程中,喜歡拍照的各位朋友也應該有了新的選機標準了吧。

 

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